一種隧道開挖巖溶突水試驗方法及監測裝置的製作方法
2023-06-07 22:37:56
專利名稱：一種隧道開挖巖溶突水試驗方法及監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種隧道開挖巖溶突水試驗方法及監測裝置，屬於試驗模型領域。
背景技術：
目前，我國經濟建設的發展越來越迅速，對基礎設施建設的要求不斷的提高，在交通設 施建設，水利水電工程建設中，深埋長大山嶺隧道不斷增加。我國碳酸鹽巖分布廣泛，按可 溶巖地層的分布面積計算約佔國土面積的1/3，巖溶深埋長隧道工程由於埋深大、洞身長、地 質條件複雜，在修建過程中，將會遇到一系列特殊的災害地質問題，如塌方、突水、突泥(沙) 等問題。其中以隧道突水最為常見，危害性也最大，往往給工程施工帶來很大危害，造成大 量圍巖失穩，隧道報廢或人身傷亡事故。因此，加強隧道突水的研究，建立有效的預防措施 保障隧道施工及隧道運營安全，具有重要的意義。
隧道突湧水的分析首先是從定性研究開始的，最早的分析只是通過查明隧道含水圍巖中 地下水的分布及賦存規律，分析隧道開挖的水文地質及工程地質條件，確定地下水的富集帶 或富集區似及斷裂構造帶、裂隙密集帶等可能的地下水突湧水通道，判斷是否發生突湧水。
通過模型試驗來研究隧道巖溶突水前兆多場信息的變化目前研究不多， 一般模型試驗只 能研究隧道巖溶突水前一兩個場的信息變化，不能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下， 隧道開挖誘發突水前兆多場信息的變化規律。 一般模型試驗主要有利用巖體溫度法預測隧道 掌子面前方含水體的模型試驗，郭如軍(2008)從巖體溫度影響因素及巖體溫度場出發，通 過室內模型試驗研究，分析了巖體溫度與隧道施工掌子面前方含水體的關係及隧道施工掌子 面前方含水體的預報原理和可行性。目前對隧道巖溶突水形成過程中圍巖應力場、溫度場、 滲流場、聲發射場等的變化演化規律尚未形成清楚的認識。
研究隧道巖溶突水前兆信息的變化規律，進而實現對隧道巖溶突水的預測預報，應當研 究多場信息的變化，從多場信息的變化中分析各場的相關性，找到突水前兆信息的主要變化 規律，應當考慮含水體位置、水壓的大小對隧道開挖誘發突水前兆多場信息變化規律的影響， 綜合考慮多種因素從而提高預測預報的精度。為了提高監測數據的可靠性及精度應當選用採 樣率高的監測儀器，實現對試驗的實時監測從而捕捉到突水前信息的變化規律。傳統的監測 元件不具有防水的功能，且採樣率低不能實現對試驗的實時監測。通過模型試驗研究隧道巖
溶突水前兆信息的變化規律，應當考慮選擇的監測元件有防水的功能，使其在遇水的情況下 仍能夠發揮正常的監測功能。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供了一種隧道開挖巖溶突水試驗方法，以及其監測裝置， 本發明能夠考慮不同的含水體位置、不同水壓情況下，隧道開挖誘發突水前兆多場信息的變 化規律，能夠同時實現對模型試驗中應力場、變形場、溫度場、滲流場、聲發射場的實時監 測，採集數據豐富，試驗精度高。
本發明是通過以下技術方案實現的
一種隧道開挖巖溶突水試驗方法，包括以下步驟
1) 配料配置模型試驗相似材料利用相似比要求配置試驗用模型材料，模型材料應當 滿足幾何、運動、動力、彈性模量、泊松比、強度等相似要求。
2) 填料將配置好的試驗材料按照實際相對位置放置於模型架中，模型架四周塗膠以防 止試驗中水從四周滲出。
3) 埋設元件在指定位置處埋設監測元件，將測線引出並與監測儀器相連，檢査元件是 否功能正常，對於不能正常工作的元件應重新埋設。
4) 埋設水箱將水箱按指定位置置於模型架中，並將水壓加載機構引出。
5) 注水及監測同時啟動各監測儀器，待10分鐘後開始緩慢注水，使水位達到指定的 高度，使用連通管保持現有水位高度；連續採集12 16小時，直至水體在模型中滲透達到穩 定狀態；滲透達到穩定狀態的標準為儀器監測到的指標不隨時間發生明顯變化。
6) 開挖及監測在模型正前方及正後方打開攝像機、攝像頭進行錄像，待10分鐘後開 始隧道開挖；使用攝像機拍攝開挖全過程，使用攝像頭拍攝每一步開挖後燧道內的場景，人 工記錄試驗過程中水位的變化；分步開挖直至隧道發生突水現象；
7) 改變水箱的位置、水壓力大小，重複步驟(3) (6)。
8) 通過以上步驟得到的信息，得出不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突 水前兆多場信息的變化規律。
本發明能夠實現對模型試驗中應力場、變形場、溫度場、滲流場、聲發射場的實時監測， 採集數據豐富試驗精度高。
一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其包括固定於基座上的模型架、預製水箱、 水壓加載機構、應力場監測tl構、變形場監測機構、溫度場監測機構、滲流場監測機構、聲 發射場監測機構、模型表面位移變形觀測機構、模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構、 光纖解調儀以及計算機；其中，預製水箱位於模型架的內部，水壓加載機構位於模型架的頂 部；應力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構及滲流場監測機構均位於模型架的內部，各監測機構通過光纖解調儀與計算機相連；聲發射場監測機構位於模型架表面，並通 過前置放大器與聲發射主機相連；模型表面位移變形觀測機構裝設於模型架的正前方，並與 計算機相連；模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構裝設於模型隧道的正前方，並與計算 機相連。
所述水壓加載機構為帶刻度的水位管，通過調節水管內的水位高度來改變水壓的大小。 所述應力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構、滲流場監測機構分別為光纖 應力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、滲壓傳感器。 所述聲發射場監測機構為聲發射探頭。
所述模型表面位移變形觀測機構包括攝像頭及數碼攝像機三角架，其裝設於模型架的正 前方，攝像頭與計算機相連。
所述模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構包括攝像機及數碼攝像機三角架，其裝設 於模型隧道的正前方，攝像機與計算機相連。
與現有技術相比，本發明的優點在於本發明提出通過模型試驗來研究隧道巖溶突水前 兆多場信息的變化，同時能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突水前兆 多場信息的變化規律。 一般模型試驗只能研究隧道巖溶突水前一兩個場的信息變化，不能研 究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突水前兆多場信息的變化規律；本發明 採集數據豐富、試驗精度高。本發明提出了相應的試驗裝置，該裝置和其他裝置相比，採樣 率高，能夠實現對試驗的實時監測，選擇的監測元件有防水的功能，使其在遇水的情況下仍 能夠發揮正常的監測功能。本發明具有適用範圍廣、可靠度高、採集數據豐富、試驗精度高 等優點。
圖1為本發明的試驗方法的流程圖2為本發明的監測裝置的正面結構示意圖3為本發明的監測裝置的側面結構示意圖4為水體位於隧道頂部的模型試驗結構示意圖5為水體位於隧道側部的模型試驗結構示意圖。
其中，1、基座；2、模型架；3、隧道；4、預製水箱；5、水位管6、水體7、光纖應 力傳感器；8、光纖位移傳感器；9、光纖溫度傳感器；10、光纖滲壓傳感器；11、聲發射探 頭12、攝像機；13、三角架；14、光纖解調儀；15、計算機；16、前置放大器；17、聲發 射主機。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明
一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其包括固定於基座1上的模型架2、預製 水箱4、水位管5 (帶刻度)、光纖應力傳感器7、位移傳感器8、溫度傳感器9、滲壓傳感器 10、聲發射探頭11、模型表面位移變形觀測機構、模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構、 光纖解調儀14以及計算機15，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，其中，預製水箱4位 於模型架2的內部，水位管5位於模型架2的頂部；光纖應力傳感器7、位移傳感器8、溫度 傳感器9及滲壓傳感器10均位於模型架2的內部，各傳感器通過光纖解調儀14與計算機15 相連；聲發射探頭ll位於模型架表面，並通過前置放大器16與聲發射主機17相連；模型表 面位移變形觀測機構裝設於模型架2的正前方，並與計算機15相連；模型開挖後隧道內的變 形與突水觀測機構裝設於模型隧道的正前方，並與計算機15相連。
所述模型表面位移變形觀測機構包括攝像機12及三角架13，其裝設於模型架2的正前 方，攝像頭與計算機15相連。
所述模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構包括攝像機12及三角架13，其裝設於模 型隧道3的正前方，攝像機與計算機15相連。
實施例進行隧道開挖巖溶突水試驗，步驟如下
1) 配料配置模型試驗相似材料利用相似比要求配置試驗用模型材料，模型材料應當
滿足幾何、運動、動力、彈性模量、泊松比、強度等相似要求。
2) 填料將配置好的試驗材料按照實際相對位置放置於模型架中，模型架四周塗膠以防
止試驗中水從四周滲出。
3) 埋設元件在指定位置處埋設監測元件，將測線引出並與監測儀器相連，檢査元件是 否功能正常，對於不能正常工作的元件應重新埋設。
4) 埋設水箱將水箱按指定位置置於模型架中，並將水壓加載機構引出。
5) 注水及監測同時啟動各監測儀器，待10分鐘後開始緩慢注水，使水位達到指定的 高度，使用連通管保持現有水位高度；連續採集12 16小時，直至水體在模型中滲透達到穩 定狀態；滲透達到穩定狀態的標準為儀器監測到的指標不隨時間發生明顯變化。
6) 開挖及監測在模型正前方及正後方打開攝像機、攝像頭進行錄像，待10分鐘後開 始隧道開挖；使用攝像機拍攝開挖全過程，使用攝像頭拍攝每一步開挖後隧道內的場景，人 工記錄試驗過程中水位的變化；分步開挖直至隧道發生突水現象；
7) 改變水箱的位置、水壓力大小，重複步驟(3) (6)。8)通過以上步驟得到的信息，得出不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突 水前兆多場信息的變化規律。
本隧道開挖巖溶突水試驗，確定幾何相似比為C=100，模型箱尺寸為1500mmX500mm X 1800mm,開挖位置在模型箱下部三分之一的位置。按照實際隧道尺寸為寬130mm高為 100mm左右，採用分步開挖。根據原巖力學參數得到模型力學參數如表l，根據經驗，採用 砂、石蠟作為原料來製作模型。
表l模型試驗的主要力學參數表
抗壓強度抗拉強度彈性模量泊松比滲透係數
參數MPaMPaGPaCM/S
含水層巖體0.370.0430.289.9X10-5
隔水層巖體0.370.0430.289.9 X 10一9
試驗結果及其分析
通過隧道巖溶突水模型試驗可以得到如下幾個基本結果
一、 模型試驗中，開挖擾動對各個場的影響較大，應力場、變形場、溫度場、滲流場、 聲發射場監測數據均有較明顯的變化。
二、 本試驗監測點為對稱布置，相同高度的監測點數據相近又有不同。數據相近驗證了 結果的可靠，數據不同左側監測點比右側監測點聲發射數據較大，分析認為這說明水體是從 先從左側滲入，此結論可從其它監測參數如溫度、電阻率分析中得到驗證，說明本發明的方 法和使用的裝置能夠監測到水沿裂隙的入滲過程。
三、 開挖導致隧道突水前兆信息明顯，所選擇的監測儀器能夠捕捉到隧道巖溶突水前兆 多場信息的變化。
四、 隧道湧水前存在明顯的聲發射事件、能量激增現象，開挖過程中隔水層有裂隙產生， 裂隙經歷延伸、擴展過程最後貫通至隧道頂部，發生湧水現象。
試驗結論
通過設計模型試驗方案，選擇合理的監測儀器，開展了隧道開挖巖溶突水模型試驗研究， 總結了隧道開挖巖溶突水前兆多場信息的變化規律，基本結論如下
一、研究隧道巖溶突水前兆信息的變化規律，進而實現對隧道巖溶突水的預測預報，應 當研究多場信息的變化，從多場信息的變化中分析各場的相關性，找到突水前兆信息的主要 變化規律。二、 採用本試驗裝置和方法能夠給隧道巖溶突水的預測預報提供試驗基礎，為工程實踐 提供預測依據。
三、 本發明使用的模型，能夠模擬完成不同的含水體位置、不同水壓情況下，隧道開挖 誘發突水前兆多場信息的變化規律。
四、 本試驗採用的監測儀器採樣率高，能夠實現對試驗的實時監測，選擇的監測元件有 防水的功能，使其在遇水的情況下仍能夠發揮正常的監測功能，本發明適用範圍廣採集數據 豐富試驗精度高。
權利要求
1.一種隧道開挖巖溶突水試驗方法，包括以下步驟1)配料配置模型試驗相似材料；2)填料將材料按要求置於模型架中；3)埋設元件在指定位置處埋設監測元件；4)埋設水箱將水箱按指定位置置於模型架中；5)注水及監測同時啟動各監測儀器，待10分鐘後開始緩慢注水，使水位達到指定的高度，使用連通管保持現有水位高度；連續採集12～16小時，直至水體在模型中滲透達到穩定狀態；滲透達到穩定狀態的標準為儀器監測到的指標不隨時間發生明顯變化；6)開挖及監測在模型正前方及正後方打開攝像機、攝像頭進行錄像，待10分鐘後開始隧道開挖；使用攝像機拍攝開挖全過程，使用攝像頭拍攝每一步開挖後隧道內的場景，人工記錄試驗過程中水位的變化；分步開挖直至隧道發生突水現象；7)改變水箱的位置、水壓力大小，重複步驟(3)～(6)；8)通過以上步驟得到的信息，得出不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突水前兆多場信息的變化規律。
2. —種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於包括固定於基座上的模型架、 預製水箱、水壓加載機構、應力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構、滲流場 監測機構、聲發射場監測機構、模型表面位移變形觀測機構、模型開挖後隧道內的變形與 突水觀測機構、光纖解調儀以及計算機；其中，預製水箱位於模型架的內部，水壓加載機構位於模型架的頂部；應力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構及滲流場監測機構均位於模型架的內 部，各監測機構通過光纖解調儀與計算機相連；聲發射場監測機構位於模型架表面，並通過前置放大器與聲發射主機相連； 模型表面位移變形觀測機構裝設於模型架的正前方，並與計算機相連； 模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構裝設於模型隧道的正前方，並與計算機相連。
3. 根據權利要求2所述的一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於所述水 壓加載機構為帶刻度的水位管。
4. 根據權利要求2所述的一種用於隧道幵挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於所述應 力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構、滲流場監測機構分別為光纖應力傳感 器、位移傳感器、溫度傳感器、滲壓傳感器。
5. 根據權利要求2所述的一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於所述聲發射場監測機構為聲發射探頭。
6. 根據權利要求2所述的一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於所述模 型表面位移變形觀測機構包括攝像頭及數碼攝像機三角架，其裝設於模型架的正前方，攝 像頭與計算機相連。
7. 根據權利要求2所述的一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其特徵在於所述模 型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構包括攝像機及數碼攝像機三角架，其裝設於模型隧 道的正前方，攝像機與計算機相連。
全文摘要
本發明公開了一種隧道開挖巖溶突水試驗方法，包括配料、填料、埋設元件、埋設水箱、注水及監測、開挖及監測等步驟。本發明還公開了一種用於隧道開挖巖溶突水試驗的監測裝置，其包括固定於基座上的模型架、預製水箱、水壓加載機構、應力場監測機構、變形場監測機構、溫度場監測機構、滲流場監測機構、聲發射場監測機構、模型表面位移變形觀測機構、模型開挖後隧道內的變形與突水觀測機構、光纖解調儀以及計算機。本發明同時能研究不同的含水體位置、不同水壓情況下隧道開挖誘發突水前兆多場信息的變化規律，具有適用範圍廣、可靠度高、採集數據豐富、試驗精度高等優點。
文檔編號G01N33/00GK101625352SQ200910017550
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者馮現大, 李利平, 李國瑩, 李術才, 李樹忱 申請人:山東大學